毕业设计（论文）-程控信号源设计.doc

毕业设计 题 目： 程控信号源设计 专 业： 电子信息工程07 班 级： 07届1班 姓 名： 学 号： 21 指导老师： 成 绩： 目 录 第1节 引 言 3 1.1 信号源发生器的现状3 1.2 根据设计要求的方案论证4第2节 系统硬件设计5 2.1 系统电路部分6 2.2 键盘和LED设计6 2.3 单片机外围电路7 2.4 地址发生及调频部分7 2.5 调幅及信号产生部分8第3 节 系统的相关芯片介绍和分析9 3.1 AT89C51的引脚排列及性能 93.1.1 引脚排列93.1.2 性能10 3.2 DAC1210芯片113.2.1 内部结构及控制功能113.2.2 外部引脚11 3.3 Intel8254芯片123.3.1 8254的内部结构及功能123.3.2 8254的特性及外部引脚13 3.4 EEPROM2864芯片143.4.1 功能特性143.4.2 外部引脚14第4节 系统软件设计16 4.1 系统的流程图16 4.2 初始化程序164.4.1 频率控制部分164.4.2 波形控制部分174.4.3 幅度控制部分174.4.4 LED动态显示程序17第5节 系统调试18 5.1 调试方案19 5.2 仪器仪表21结束语22参考文献22程控信号源设计 第1节 引 言 在如今各种科研与实验中,如在电力系统校验、电磁场检测、工业测量及仪器仪表试验等领域中,信号源(信号发生器)是必不可少的, 人们要求它波形种类多、稳定性好、频率范围宽,而且能进行精细的调整（如需要信号的频率、幅度、相位等都能进行调节）。传统的模拟信号源发生器已远远不能满足要求,国际上早已出现了以数字为基础的程控化,甚至智能化的信号源发生器,不仅其性能指标有了质的飞跃,功能也极为强劲,操作更为简便。它的频率范围可以从几十Hz到几百兆Hz,频率步进仅为1MHz。目前,作为测量仪器仪表和各种电子元器件参数和性能的信号源品种繁多,其分类也有多种方法。如按照输出频率可分为高频信号发生器、超高频信号发生器、低频信号发生器、超低频信号发生器;按照输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、噪声信号发生器等。在实验的基础上,本文设计的信号源具有实用性强、能同时提供多种信号、高度程控化、闭环控制等特点。可通过控制芯片结合波形发生电路,实现常常需要用到信号发生器。目前广泛采用的是锁相环技术、直接数字合成(DDS)、小数分频锁相环等技术来实现高分辨率、高稳定度、低失真度的信号源。1.1 信号源发生器的现状信号源发生器大致可分为三大类：正弦信号发生器、函数（波形）信号发生器和数字信号发生器。电子技术中常用的信号发生器,通常只能产生有限种类的形状规则的脉冲波或连续波（如正弦波、方波、三角波等）,以及由这些波形合成的略为复杂的波形。然而在科学研究和生产实践中,各种不规则的波形是大量存在的,许多应用要求更加精确和真实的信号模拟,如系统研究中的各种瞬变波形,电子设备中出现的各种干扰杂波,生物电子工程中常见的各种生物电波等。要研究和处理这些复杂信号源,首先就要能生成这些波形,一般是难以从普通的信号发生器获得的,这种情况严重阻碍了有关技术的发展。任意波形信号源发生器（AWG）正是随着众多领域对复杂的、可由用户定义的测试信号波形日益增长的需要而发展起来的一类新的测试仪器。与传统的信号源相比,任意波形发生器最大的优势在于它产生信号的方式灵活,除了可以生成正弦、方波等标准波形外,它还能够通过波形编辑软件,模拟被测产品在实际条件运行时所遇到的实际信号。近几年国际上信号源发生器的技术发展主要体现在以下几个方面。一、提高输出信号频率在过去,由于信号源发生器的输出频率低,输出信号的寄生谱分量大,从而限制了它的应用。信号源发生器仅用于地质、生物和机械领域。在这些应用领域中,信号波形可能是复杂的,但频率通常很低。而现在的信号源发生器己能提供上兆的波形信号,从而进入了诸如通讯、计算机和显示等应用领域。提高信号源发生器的输出频率主要取决于存储器的读取速度和数模转换器的转换时间。二、大量使用各种高速器件提高时钟频率，使信号源发生器输出波形频率不断提高，能应用于越来越广泛的领域。三、使用各种计算机语言开发信号源发生器波形编辑软件和操作软面板，使信号源发生器的操作控制或任意波形数据生成变得更加方便和容易，允许徒手从计算机显示屏上输入任意波形。上位机与任意波形发生器硬件模块广泛使用RS-232/485、GPIB 等总线进行数据通信，近年，USB 接口也逐渐被广泛研究和应用。目前我国已开始研制信号源发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国信号源发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些 PC 仪器插卡，独立仪器和 VXI 系统的模块很少，并且我国目前信号源发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.2 根据设计要求的方案论证设计要求选择12位D/A转换器产生多种波形，能在一定范围内连续调频，能连续调节波形的幅值。采用VB通讯控件的串行通信方法,设计了一种信号源发生器。该系统原理如图1-1所示。用户在PC机上按下鼠标左键创建一个周期的波形,再将各点值传送给单片机系统,产生实际的模拟信号。图1-1 系统图从图1-1系统图上可见,系统分为PC机和单片机系统两部分。本系统的硬件部分较简单且成熟:其中D/A转换器选用DAC1210,电路实现双极性电压输出,后接跟随器改善带负载能力。图1-2 系统组成结构原理图1-2中主要有2大块，即键盘/显示和单片机数据处理部分。其中键盘与LED显示由7279芯片驱动，并通过与主控单片机串行通信实现控制与数据交换。波形发生器采用了直接频率合成技术（DDFS），把所需产生的波形通过换算直接存在于次送出再经过D/A和放大从而得到所要波形。在这里通过定时分频器由可编程的8253或8254构成。单片机通过改变定时器时间常数以达到改变分频系数的目的,从而改变输出波形的频率。对不同地址空间的选取从而实现了多种波形，即波形可选。输出的幅度由多级12位D/A双级性电路实现，一级输出电压作为下一级的参考电压，通过单片机控制第一级的D（与单片机的P0口相连），实现连续调频。这种电路简洁，不受单片机的时钟频率的限制，输出信号精度高，稳定性好，可靠性高，功耗低，调频、调幅都很方便，可以实现模块化设计。只要有波形数据的话，烧进存储器里，就可以产生任意波形。缺点是在高频情况下需要一定的频率转换时间。第2节 系统硬件设计本系统采用单片机来控制完成，通过程序控制芯片Intel可编程的8254芯片的工作方式及计数值来实现频率的程控，此输出频率做为8位加法计算的时钟来控制EEPROM2864的输出速率。先把波形固化在EEPROM2864芯片里，由于本系统要求波形的精度是12位的，因此采用两片EEPROM2864，把波形的高四位或低四位数据放在第二片EEPROM里，这样便可有一个周期有256个点，每个点有12位数据有输出，达到了高精度的要求。EEPROM的高五位来控制波形的输出的种类，最多可有32种任意的波形。幅度控制部分采用多级12位D/A转换双极性电压输出。2.1 系统电路部分 该信号源系统主要由单片机控制部分、幅控制部分、地址发生调频部分等组成，如图2-1所示。图2-1 系统原理方框图单片机控制高精度程控信号源波形发生器系统组成如上图所示,由晶体振荡器产生频率稳定度较高的时钟信号,经分频器(74LS161和8254计数器0)分频得到所需频率基准时钟信号,再由可预置计数器(8254计数器1)和锁存器74LS373构成产生频率可调的时钟信号CLK,为计数器提供计数脉冲,计数器(74LS161)输出的计数值作为EEPROM2864的地址,使其中由单片机按一定算法存放的波形采样值不断输出,经多级12位D/A转换双极性电压输出得到所需波形。其中,频率的调节是通过键盘输入可预置计数器(8254计数器1、2)的初始值来实现,而幅值的调整则只需改变DAC的参考电压就可实现。2.2 键盘和LED设计该部份由HD7279芯片驱动8个数码管和多个按键。具体如图2-1所示，HD7279的CS，DATA，KEY，CLK分别与单片机的P1.0,P1.1,P1.2,P3.2相连,实现键盘与7279的串行通信。图2-2 键盘和LED电路图2.3 单片机外围电路电路图如2-2所示，X1和X2接了一个6M的晶振，这说明30脚的ALE端将输出频率为1MHZ的方波。开关按下可使整个电路复位。P0口与后面的DAC1210的输入D相连，在幅度确定键按下时，将输入的数据赋给P0口，则同时也传给了D，则改变了这级1210的电压输出值。P2口与8254的D相连，可通过编程设置8254有三个计数器的工和方式，初值等。P2口也和74LS373的D相连，主要是为了设置8254的A0和A1值，来选择计数器。P1.3接8254的使能端CS，单片机的RD和WR分别与8254有RD和WR相连，来设置各计数器读还是写。图2-3 单片机外围电路2.4 地址发生及调频部分地址发生及调频电路，由时钟输入、定时器/计数器、二进制计数器(产生低8位地址)和锁存器(输出高位地址)组成。这一部分主要用来产生访问EEPROM2864 (如图3-5所示)中某一数据表的周期性地址信号。定时分频器由可编程的8254构成，其中 接到单片机的数据线上，A1、A0、RD、WR分别接单片机的地址线和读写信号线，8254的使能端CS与P1.3接,8254通道0工作于方式3，作为分频器使用时的分频系数(时间常数)可取265536中的任一整数。输入脉冲频率为1MHz，从OUT0端输出分频后的方波脉冲序列。单片机通过改变定时器时间常数以达到改变分频系数的目的，从而改变输出波形的频率。8254计数器初始值n与周期波形频率f之间的关系按下式确定： （2-1）如果频率范围不能满足要求，可以设法扩大。扩大低端频率的方法是将定时器的几个计数通道串联使用，这样时间常数n的允许值大大增加，最小频率f也就随之大大降低。扩大最大频率的方法是适当减少一个周期波形所包含的离散点个数k；或者增加定时器输入脉冲的频率fclock，但不能超过定时器的最大工作频率。由两片EEPROM2864和两个加法计数器及锁存器来存放高精度的波形，用12位D/A转换器提高输出波形的精度。本次设计是先将波形固化在EEPROM里面，因为是高精度，一个波形要有256个点输出及每个点要12位数据。所以要采用两片EEPROM芯片一起固化，把波形的高四位或低四位数据固化在第2片EEPROM里面。EEPROM芯片的低8位地址由一个8位循环加法器提供，高5位的地址线经过锁存器跟单片机控制芯片连接，由单片机程序来控制波形的输出，使得程序波形控制比较简单，两个EEPROM的高5位地址线连接在一起。同时两个8位循环加法器的清0端也要在一起，由于波形变化时要使得这两个加法器同时清0，这样才不会使波形数据输出出错。2.5 调幅及信号产生部分该部分电路主要由DAC1210跟放大器组成，由于DAC1210内部有寄正存器、所以直接跟控制芯片AT89C51连接。如图2-5所示，当一个电压Vi从DAC1210（2）的参考电压输入时，图3-5中的输出OUT1为： （2-2）由参考电压可知: （2-3）由式1和式2可得： （2-4）放大系数为： （2-5） 其中Vi为DAC1210（2）转换器的参考电压，D为单片机控制输入的二进制数，对于本电路来说，应为： （2-6） 其中Si为输入DAC1210第位的二进制数，为1接通OUT1（即电流流向输出）；为0接通OUT2（即接地）。DAC1210的输入数据线连接到单片机的数据总线上。从（3）、（4）两式可知，第一级D/A转换电路可对两个信号进行放大和变换，当V恒定时，可以对D进行放大；当电阻选定后，可对Vi进行放大，放大系数由单片机输入的数字量D决定。图2-5 调幅及信号产生电路第3 节 系统的相关芯片介绍和分析3.1 AT89C51的引脚排列及性能 3.1.1 引脚排列AT89C51单片机采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。如图3-1所示：图3-1 AT89C51引脚排列3.1.2 性能单片机的典型代表是Intel公司在20世纪80年代初研制出来的MCS-51系列单片机。MCS-51单片机很快在我国得到广泛的推广应用，成为电子系统中最普遍的应用。AT89C51单片机就是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。其引脚说明如下：VCC：电源电压； GND:地:复位、当振荡器工作时，RST引脚两个机器周期的高电平将使单片机复位。 :当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（）。：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期两次有效，除了当访问外部数据存储器时，将跳过两个信号。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体表3-2所示。端口引脚第二功能P3.0 (串行输入口)P3.1（串行输出口）P3.2 (外部中断0)P3.3（外部中断1）P3.4（定时器0）P3.5（定时器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）图3-2 P3用作第二功能3.2 DAC1210芯片3.2.1 内部结构及控制功能为12位数据线，其中为最低有效位，为最高有效位，在与微处理器的8位数据线接口时，需将与对应脚连接起来（对DAC1210系列芯片，已在芯片内连好，故对外只有8根数据线）。： 片选信号输入(低电平有效) ，有效时，使能信号。： 写入信号1输入。用于将数字数据送入输入寄存器。 ： 字节顺序控制。当此端为高电平时，输入寄存器的12位均被使能；当为低电平时，只使能最低4位寄存器。： 写入信号2输入。有效时(低电平)将使能。： 数据传送控制信号(低电平有效)。 该信号与都有效时，能将输入寄存器中的12位数据同时送入DAC 寄存器，同时启动一次D/ A 转换。3.2.2 外部引脚DAC1210芯片是具有24个引脚的双列直插式芯片，其引脚分布如图3-3所示。图3-3 引脚排列3.3 Intel8254芯片Intel8254是一个可编程的计数器/定时器芯片。同类型的芯片有Intel8253等。3.3.1 8254的内部结构及功能8254的内部结构如图3-4所示，它主要包括以下几个功能：（1）、3个独立的16位计数器,分别为计数器0、计数器1、计数器2。（2）、控制命令寄存器此寄存器用来保存来自CPU送入的控制字。每个计数器都有一个控制命令寄存器，用于保存该计数器的控制信息。控制字将决定计数器的工作方式、计数形式及输出方式，也能决定应如何装入计数器初值。8253的3个控制寄存器只占用一个地址号，而靠控制字中最高二位来指定当前的控制字是发给哪一个计数器的。控制寄存器只能写入，不能读取。（3）、读/写逻辑读/写逻辑的任务是接收来自CPU的控制信号，完成对8253各计数寄存器的读/写操作。这些控制信号包括读信号、写信号、片选信号和片内寄存器对址信号、。 （4）、数据总线缓冲器这是一个双向、三态8位缓冲器。它用于8253和系统数据总线连接。CPU通过数据总线缓冲器将控制命令字和计数值写入8253计数器，或者从8254计数器读取当前计数值。8254的8位数据线通常与系统数据总线相连。8254共占用4个I/O地址。 图3-4 8254的内部结构3.3.2 8254的特性及外部引脚一片8254有3个相互独立的计数通道，每个通道都是一个16位的减1计数器。它们都有自己的时钟脉冲输入端；门控信号和计数(或定时时间)到的输出信号。每个通道的内部结构都是相同的，都由三部分构成：16位的计数初值寄存器,用于寄存初始化时写入的初值(或称时间常数)，一经写入，在计数过程中不再改变；16位的减1计数器，这是计数通道的核心，它在和的作用下进行减1操作；16位的当前计数值输出锁存器，用于将减1计数器的当前值进行锁存，以便读出。8254芯片是具有24个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚如图3-5所示。如图3-5 8254的引脚排列3.4 EEPROM2864芯片3.4.1 功能特性（1）8K8NMOS管脚封装芯片，与RAM6264兼容，可供测试状态用。（2）内部提供数据、地址缓冲器。（3）可被重写多次（至少能重写出10000次）。（4）片内有定时器，每个单元在字节写入前自动擦除原有内容。（5）+5V单电源供电。（6）拥有上电/断电保护电路。（7）读取最大时间为250ns。EEPROM2864具有骨部定时器，能对写入自动定时。片内的定时器与输入锁存器一道，使得写入期间CPU能腾出时间是10（对要求快速写入的系统来说，可2864H，其每个字节写入时间为2），一旦一个字节写完，管脚向单片机CPU发出信号，告之此时可进行另一个字节的写入或进入读周期。字节的写入或读出方式的所有信号都是TTL电平。3.4.2 外部引脚EEPROM2864芯片是8K电可擦除可编程只读存储器。采用单+5V供电，最大工作电流为160mA,维持电流为60mA,典型读出时间为250ns,2具有28个引脚的双列直插式集成电路芯片，其引脚分布如图3-6所示。图3-6 EEPROM2864的引脚排列由于片内设有编程所需的高压脉冲产生电路，因此无需编程电源和编程脉冲即可完成写入工作。片内设有“页缓冲器”，允许快速写入。通常不需单独的擦除操作，可有写入的过程中自动擦除。既可作为程序存储器也可作为数据存储器使用，只是连接方法有所不同。各引脚的含义如下：为13根地址线，可寻址内片内8KB；为数据输入/输出线；为片选输入线，当为低电平时选中该片；为数据输出选通线，当为低电平时数据可由输出；WE为写入使能端，当为低电平时数据可写入片内；为电源。第4节 系统软件设计4.1 系统的流程图图4-1 系统的流程图上图4-1所示的是整个系统的流程图，初始化包括对LED的清0和对与8254的D相连的P2口的初始化。后者主要是设定方式控制字。初始化完成之后，在CS片选端有效时，再判断KEY是否为0。因为在没键按下时KEY为高电平，而有键按下时，KEY为低电平，直至键放开为止。当判断出有键按下时，7279读出其对应键盘的代码，并通过DATA端（DATA端为高电平）传输给单片机。单片机接收到键代码后，根据按键代码，如果取值是数字的，则将其值存到一地址里，再通过发送命令给7279，使LED显示此值，当然再存或发送命令显示时首先都要先左移原来的数据，留出空位给待输入的数据；如果取值是清0的，则发送命令给7279使所有的数码管都显示为0并将已存储在地此里的输进来数据的也全部清0。 4.2 初始化程序4.4.1 频率控制部分MOV DPTR， #7FFFH ；指向控制字寄存器MOV A， #0B4H（10110100B） ；计数器2输出方式2控制字MOV DPTR, A ；控制字送入控制字寄存器MOV DPTR, #7FFEH ；指向计数器2MOV A, #28H ；40分频计数器值为0028HMOV DPTR, A ；写入低8位值CLR A ；高8位值为00HMOVX DPTR, A ；再写入高8位值4.4.2 波形控制部分CLK P3.0 ；两个8位加法器同时清零MOV P2, #01H ；输出值至74LS373STB P2.7 ；置高电平CLK P2.7 ；74LS373数据锁存STB P3.0 ；两个8位加法器开始计数4.4.3 幅度控制部分MOV DPTR， #7FFFH ；指向控制字寄存器MOV A， #DATA1 MOVX DPTR, A ；数据DATA1写入DAC1210MOV DPTR, #5FFFH ；=0，=0，送4位输入寄存器MOV A, #DATA2MOVX DPTR, A ；数据写入DAC1210的低4位MOV DPTR， #0BFFFH ；=0，指向12位寄存器MOV DPTR, A ；12位数据写入DAC寄存器，启动转换4.4.4 LED动态显示程序MOV DPTR, #7FF8H ；指向控制口MOV A, #4DH ；设置工作方式字MOVX DPTR, A ；设A口、C口均为输出SHOW: CLR OD3HSETB OD4H MOV R4, #OFFHSHOW1: MOV R0, TAB MOV R1, #4 SHOW2: MOV R6, #20HMOV R7, #00HDIR 1: MOV A, #00HMOV DPTR, #7FFBHMOVX DPTR, AMOV A, R0MOV DPTR, #TABMOV A, A+DPTRMOV DPTR, #7FF9HMOVX DPTR, AMOV A, R6MOV DPTR, # 7FFBHMOVX DPTR, AHERE: DJNZ R7, HEREDEC ROCLR CMOV A, R6RRC AMOV R6, AJNZ DIR1DJNZ R1, SHOW2DJNZ R4, SHOW1CLR 0D4HTAB: DB 2COH, 3F9H, 4A4H, 2BOHDB 9CH, 9DH, 8FH, CF8HDB C0H, F0H, D8H, E3HDB OC6H, CA1H, BAH, AEHRET第5节 系统调试本系统开发的目的是能够产生任意波形的信号源，能在一定范围内连续调频，能连续调节波形的幅值，且波形的精度是12位等。为此，对已开发的高精度程控信号源系统进行调试和测试非常必要的。5.1 调试方案高精度程控信号源发生器的PCB电路板焊接，安装完成后，首先对电路进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：时钟和复位电路的调试，单片机与HD7279串行通信的调试，可编程基准信号的调试，地址累加发生器的调试，双极性输出调试，滤波调试等。测试过程如下：（1）、系统上电后，即可得默认的正弦波输出，其频率为100Hz，幅度5.0V。通过调节按键改变输出波形、幅度，频率，并实测输出波形的幅度、频率值，同时记录对应的LED显示值，以便得知实际值与显示值的误差。如图5-1。图5-1 正弦波（sine）（2）、在空载、有负载的情况下，通过调节键盘改变相应的波形输出的峰峰值，实测波形的峰峰值。图5-2 正弦波（sine）（3）其他多种波形如下图所示。图5-3 三角波（triangle）图5-4 方波（square）上图5-3中因为带了一些谐波，因此波形不够圆润，上图5-4中多奇数个谐波被加入到方波声波中，因此波形也不够圆润。5.2 仪器仪表在调试过程中所用到的仪器仪表：